7.5.2. Мдп-транзистор со встроенным каналом

В этом транзисторе проводящий канал между истоком и стоком под диэлектриком существует («встроен») в состоянии равнове­сия. Ток в канале протекает при подаче напряжения между стоком и истоком U_си при нулевом напряжении между затвором и истоком (U_зи = 0). Наличие этого тока, называемого начальным током стока I_{с нач0}, явилось основанием называть МДП-транзисторы со встроенным каналом транзисторами с обеднением, так как изме­нение тока используется в основном в сторону уменьшения его от значения I_{с нач0}. Напряжение U_зи, при котором ток стока уменьша­ется до нуля (режим отсечки), называется напряжением отсечки U_{зи отс}. Иногда это значение по аналогии с МДП-транзисторами с индуцированным каналом называют пороговым, но последние принципиально работают с обогащением, так как при U_зи = 0 в ка­нале нет тока.

Получение встроенного n-канала возможно путем введения донорной примеси в приповерхностную область полупроводника (подложки р-типа), а встроенного р-канала – введением акцептор­ной примеси в приповерхностную область подложки л-типа. Кон­центрация вводимой примеси, естественно, должна превышать концентрацию примеси в подложке. Между каналом и подложкой с различными типами электропроводности возникает обедненный слой перехода.

Вольтамперные характеристики транзисторов с изолирован­ным затвором и встроенным каналом аналогичны таким же характе­ристикам полевого транзистора с управляющим р-n-переходом при том же типе канала. Напряжение отсечки для n-канала U_{зи отс} < 0, а выходные характеристики опускаются при увеличении абсолютного значения отрицательного напряжения U_зи.

Стокозатворная характеристика при встроенном n-канале (рис. 7.15,д) совпадает по форме с такой же характеристикой транзистора с индуцированным n-каналом, но сдвинута относительно последней в сторону отрицательных значений U_зи от U_пор до значения U_{зи отс}. При напряжениях U_си > U_{си нас} стокозатворные характеристики ква­дратичны, а при U_си < U_{си нас} – линейны. Объяснение стокозатворным и стоковым характеристикам такое же, как в транзисторе с инду­цированным каналом.

Выходные характеристики (рис. 7.15,б) по форме аналогичны выходным характеристикам транзистора с индуцированным кана­лом, но только нижняя характеристика соответствует напряжению затвора U_зи, близкому к напряжению отсечки U_{зи отс}. При изменении U_зи от U_{зи отс} к нулю характеристики смещаются вверх.

Семейства стокозатворных и выходных характеристик взаимо­связаны. Первое может быть легко получено графически из второго. Штриховая линия на семействе выходных характеристик характери­зует начало режима (области) насыщения. Остальные обозначения: U_{си нас} – напряжение насыщения; I_{с нач0} – ток стока при произволь­ном напряжении U_си в режиме насыщения и U_зи = 0; I_{с нас0} – ток сто­ка в начале области насыщения (U_си = U_{си нас}) при U_зи = 0.

7.5.3. Параметры мдп-транзисторов

Пороговое напряжение является одним из важнейших пара­метров, особенно при использовании транзисторов в схемах пе­реключения. Наиболее распространенный способ эксперимен­тального нахождения U_пор состоит в экстраполяции зависимости I_с от U_зи к нулевому значению тока (см. рис. 7.14). С этим спосо­бом тесно связан способ, в котором строится зависимость от U_зи для прибора, находящегося в режиме насыщения. При этом про­стой способ получения насыщения заключается в соединении вы­водов затвора и стока и экстраполяции прямолинейного участка зависимости до пересечения с осью абсцисс (U_зи = U_си). Распро­странены также методы определения U_пор, легко поддающиеся автоматизации, что важно для производственных условий. Эти методы состоят в фиксации U_пор как такого напряжения, при кото­ром ток равен 10 мкА или другому принятому для данного типа транзистора значению.

Мы уже отмечали влияние обратного напряжения между под­ложкой и истоком на пороговое напряжение, Оно становится для n-канальных транзисторов более положительным, а для р-канальных – более отрицательным, т.е. в обоих случаях увеличивается.

Напряжение на подложку подается от внешнего источника или создается непосредственно внутри интегральной схемы с помощью дополнительной схемы. Изменение потенциала подложки сопряже­но с усложнением конструкции ИС, которого всегда стремятся избе­гать. Поэтому широкое распространение получил способ подгонки пороговых напряжений методом ионного легирования.

На величину порогового напряжения сильное влияние оказыва­ет также положительный поверхностный заряд, возможность появ­ления которого была рассмотрена в § 7.4.3. Поле этого заряда, складываясь с полем затвора при U_зи > 0, понижает пороговое напряжение транзисторов с каналом n-типа. При малой концентрации примеси (акцепторов) в подложке пороговое напряжение под влиянием положительного поверхностного заряда может уменьшиться дo нуля и даже стать отрицательным, т.е. вместо транзистора с ин­дуцированным каналом получится транзистор со встроенные каналом. Обычно требуется положительное пороговое напряжение около 1 В. Это значение на практике обеспечивают ионным внедре­нием акцепторов в полупроводниковый слой под затвором. Отрицательный заряд акцепторных ионов в этом слое компенсирует действие положительного поверхностного заряда. Начальное зна­чение порогового напряжения можно увеличить, повышая концент­рацию примесей в подложке при производстве, но в этом случае компенсация действия положительного заряда вызывает нежела­тельное увеличение емкостей истокового и стокового переходов. Применение ионного легирования позволило освоить надежное производство n-канальных МДП-транзисторов.

Из сказанного следует, что положительный поверхностный за­ряд увеличивает пороговое напряжение в транзисторе с индуциро­ванным р-каналом, созданном на подложке n-типа. Поэтому здесь возникает иная задача – задача его снижения. Для понижения (под­гонки) порогового напряжения в приповерхностный слой под затво­ром производят внедрение ионов акцепторов с малой дозой, но та­кой, чтобы в этом слое осталась бы исходная электропроводность n-типа, необходимая для инверсионного получения канала р-типа, но получилось необходимое снижение порогового напряжения для возникновения этого канала.

Достоинство ионного легирования заключается также в том, что легирование можно проводить уже после формирования затворного окисла, т.е. через окисел.